電牽引采煤機遠程監控技術研究與系統設計

張 君

(山西焦煤 西山煤電 西銘礦供應部，山西 太原 030052)

0 引言

采煤機作為煤礦井下負責煤炭開采的主要設備，其牽引調速方式經歷了機械牽引、液壓牽引及電牽引三個階段[1-3]。其中最早的機械牽引由齒輪傳動方式實現了有級調速，液壓牽引通過液壓傳動調速實現了無級調速，最后發展至由電氣控制的有四象限運行及無級調速功能的電牽引調速，目前以交流變頻調速為主。電牽引采煤機的電控系統按照控制核心的不同可分為單片機控制系統、PLC控制系統及DSP控制系統。單片機控制系統由于運行速度較慢、兼容性較差等缺點已處于淘汰階段；而PLC控制系統的模塊化程度較高，在實現更高級的控制算法時需增加擴展模塊才能實現；以DSP為核心的嵌入式控制系統相比于PLC具備更好的兼容性及實時性，在目前控制算法日益復雜的發展趨勢下DSP更適用于采煤機智能控制的應用場合。

在采煤機狀態監測方面，目前存在的問題主要集中于監測參數不夠全面及數據傳輸實時性、精度較差，無法實現對采煤機的全面實時監測。為此，本文選用高性能DSP控制器設計了一套針對電牽引采煤機的智能遠程監控系統，并采用CAN總線通信方式對監測數據進行實時傳輸，有效地提高了系統的控制效果、監測實時性及精度，可實現采煤機的基本動作控制及運行狀態實時監測。

1 電牽引采煤機監控系統方案設計

目前煤礦普遍使用的雙滾筒電牽引采煤機按照結構可分為牽引部、截割部和液壓調高部，需控制及監測的主要部位分別為兩臺牽引電機、兩臺截割電機及左、右搖臂。電控系統需實現的兩大功能分別為：首先通過通信手段及變頻控制技術完成對采煤機牽引部及截割部4臺電機的啟停、調速遠程控制及左、右搖臂的升降控制；其次結合傳感器實現對上述主要部件的運行數據采集及狀態監測。本文將從牽引部控制、截割部控制及運行監測三部分確定采煤機監控系統的設計方案。

1.1 牽引部控制方案設計

采煤機的牽引部是提供行走動力的主要部分，通過前、后兩臺牽引電機驅動采煤機前進或后退，并通過電磁制動器實現停車及松閘。本文采用兩臺變頻器實現對兩臺牽引電機的控制，由DSP主控模塊通過傳感器負載反饋控制變頻器的輸出轉矩，保證兩臺牽引電機負載相同。

在變頻器控制模式選擇上，本文采用主從控制結構，將其中一臺變頻器設為主變頻器，通過DSP主控模塊所接收的運行數據對采煤機的轉速及相應轉矩進行實時計算，并將該計算值傳輸至從變頻器控制其輸出，從而實現左、右牽引電機負載及輸出同步化。

除牽引電機基本控制功能外，系統還需具備牽引電機及變頻器等主要部件的監測保護功能，如表1所示。

表1 牽引控制系統具體功能

1.2 截割部控制方案設計

截割部的工作原理是：通過兩臺截割電機驅動截割頭旋轉對煤層進行開采，并通過比例電磁閥調節液壓油缸的伸縮量控制搖臂升降[4,5]，從而改變截割頭高度。

截割部電控系統的主要任務是完成截割電機啟停控制及搖臂升降控制等基本控制操作及截割電機等主要部件的實時監測及保護。其中截割電機的啟停由上位機對主控器發出指令進行遠程控制，搖臂升降控制也由DSP主控模塊通過通信網絡實時控制比例電磁閥實現，系統具體功能如表2所示。

表2 截割控制系統具體功能

1.3 狀態監測方案設計

采煤機運行狀態監測由數據采集、數據傳輸及實時顯示三部分組成，數據采集由傳感器作為采集單元通過通信網絡實時上傳至DSP主控器及上位機顯示器，最終由上位機對各類采集信號進行分析處理，實現采煤機運行狀態實時監測及故障預警診斷。

系統監測點的選取集中于采煤機牽引電機、截割電機和變頻器等電氣部分，液壓油缸及泵站液位、油溫、壓力及冷卻水壓力、流量，以及搖臂軸承、傳動箱齒輪等機械部件，具體監測點設置及傳感器類型如表3所示。

表3 監測點設置及傳感器類型

2 電牽引采煤機控制部分設計與實現

本系統控制部分主要由DSP主控器、上位機、變頻器、礦用遙控器及數字接口擴展板等部分組成。為保證系統數據傳輸的可靠性，本文采用CAN總線+RS485組合通信對通信網絡進行架構，其中DSP與上位機數據交互通過CAN總線完成，變頻器與DSP通信通過RS485總線建立，采煤機電控系統控制部分結構框圖如圖1所示。

圖1 采煤機電控系統控制部分結構框圖

由圖1可知，DSP主控模塊為該系統的控制核心，為保證系統的控制性能，本文選用TMS320F2812型DSP作為系統主控芯片，其內部具有豐富的外部接口，指令處理速度可達ns級，其運行速度、計算精度及接口擴展性可滿足本系統的控制要求。系統對牽引部的控制主要通過DSP下達的指令改變主、從變頻器輸出值從而控制牽引電機轉速及轉矩，從而實現左、右牽引電機啟停及調速控制。截割部的控制系統可通過CPLD數字接口擴展板的輸出信號直接對截割部電機及搖臂進行啟停及升降控制。由于系統數字控制信號及監測點位較多，DSP內部自帶的I/O接口數量無法滿足監控需求，本系統通過外加CPLD數字接口模塊對系統的可用I/O接口進行擴展，將遠程控制的遙控器信號及操作臺按鈕信號作為CPLD的輸入端并通過DSP主控器的相應指令對截割電機、搖臂及變頻器進行控制。CPLD的選用型號為XC9536XL-10VQG64C，其內部I/O接口數量高達36個，傳播延遲低至10 ns，工作頻率最高可至178 Hz，其豐富的數字接口量及傳輸速率可滿足本系統的接口擴展需求。

3 電牽引采煤機監測部分設計與實現

電牽引采煤機運行狀態的實時監測主要包括對截割及牽引電機的電壓、電流、轉速、溫度監測，液壓油缸油壓、液位及行程的監測，冷卻水系統冷卻水流量及壓力監測，左、右搖臂傳動機構減速箱齒輪及軸承振動監測。除對以上采煤機主要機構的運行狀態監測外，系統還可對采煤機位置及傾角、搖臂角度等位姿狀態以及采煤機工作環境中的瓦斯及粉塵濃度進行實時監測。

監測量的采集由各類傳感器組成的采集模塊完成，相應監測信號可分為模擬量信號及數字量信號兩大類，以電機溫度、電量、轉速信號及液壓油缸壓力、液位信號為主的模擬量信號需通過電壓轉換及放大電路將其調整至DSP模擬量接口可識別的0～3 V電壓信號后輸入至DSP，并進一步通過通信網絡上傳至上位機實時顯示。以變頻器故障信號、遙控信號及瓦斯濃度信號為主的數字量開關信號可直接通過CPLD的輸入端傳輸至DSP主控器進行采集。

4 結束語

本文基于高性能DSP主芯片及各類傳感器設計了一套基于CAN總線通信的電牽引采煤機遠程監控系統，可實現采煤機截割啟停、搖臂升降以及左、右牽引等基本控制功能，同時通過上位機對采煤機運行狀態進行實時監測，有效提高了采煤機電控系統的智能化控制及運行監測水平。